基于单片机EM78247的光伏发电系统太阳自动跟踪器

摘要：由于太阳位置随时间而变化，使光伏发电系统的太阳能电池阵列受光照强度不稳定，从而降低了光伏电池的效率,因此，设计太阳自动1是提高光伏发电系统工作效率的有效措施。本文采用单片机EM78247为控制核心，设计了一个双轴太阳自动1，配合两台交流伺服电机实现光伏电池阵列与阳光照射之间的同步跟踪。该控制器在硬件和软件各方面采取了多项抗干扰措施，使其具有较好的跟踪效果和较强的抗干扰能力，且运行可靠稳定，具有较高的实际应用价值。

　　关键词：光伏发电系统；EM78247；太阳自动1

　　当今社会人们的环保意识越来越强，光伏发电系统的应用普遍受到各国政府重视。因为它不仅能为我们提供用之不竭的可持续再生电能，并更好地保护人类赖以生存的环境。但其发电效率较低，发电成本相对较高仍然足制约其大规模应用的重要因素。在没有出现高效的光伏电池材料之前，研制具有实用价值的阳光随动系统以降低成本，是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。据研究，双轴系统可提高发电量35%左右，单轴系统也可提高20%左右。

　　国外在20世纪80年代就对太阳跟踪系统进行了研究，如美国、德国在单双轴自动跟踪、西班牙在2倍聚光反射跟踪等方面开发出了相应的商品化自动阳光1[1]。我国于20世纪90年代左右也对其进行了大量的研究，但一直没有稳定可靠的商品化产品出现，主要原因在于：

　　首先，系统的运行可靠性不高，无法满足使用要求。由于大部分光伏电站都安装在偏远地区，环境非常恶劣，维护困难，跟踪系统增加了旋转机构与相应的机械机构，可靠性明显下降，如果不能保证整个系统的在各种环境下都能可靠稳定运行，对整个光伏系统反而是灾难性的打击；其次，1的控制误差偏大。尤其对反射聚光的1，如果跟踪误差偏大，不但不能提高发电效率，反而会使太阳能电池组件的受光面积变小，产生热斑等不利影响，从而降低太阳大功率电感能电池组件的使用寿命；第三差模电感是采用进口技术和器件使成本过高。全部购买国外成熟的技术，大大提高系统的硬件成本与维护成本，使推广更加困难。

　　本文以EM78247微处理器为核心，针对光伏发电系统的电池组件，设计开发了一种双轴阳光随动控制器，它具有运行稳定可靠、跟踪误差小、成本低等优点，具有很高的推广应用价值。

　　1 阳光随动控制的基本原理

　　阳光随动控制器，顾名思义其基本功能就是使光伏阵列随着阳光而转动，基本原理框图如图1所示。

图1 光伏阵列阳光随动系统原理框图

　　　　该系统时刻检测太阳与光伏阵列的位置并将其输入到控制单元一体电感器，控制单元对这两个信号进行比较并产生相应的输出信号来驱动旋转机构，使阳光时刻垂直入射到光伏阵列的表面上，使光伏阵列始终处于最佳光照条件下，发挥最大光伏转换效率。

　　虽然太阳在天空中的位置时刻都在变化，但其运行却具有严格的规律性，在地平坐标系中，太阳的位置可由高度角α与方位角ψ来确定，公式如下：

式中： δ为太阳赤纬角；φ为当地的纬度角；α为时角。

　　太阳赤纬角与时角可以由本地时间确定，而对确定的地点，本地的纬度角也是确定，因此只要输入当地相关地理位置与时间信息就可以确定此时此刻的太阳位置。

　　2 系统的整体线圈电感设计方案

　　EM78247是一款具有RISC结构的高性能中档单片机，仅有35条单字指令，8 k×14个字节FLASH程序存储器，368×8个字节RAM数据存储器，256×8个字节E2PROM数据存储器，14个中断源，8级深度的硬件堆栈，内部看门狗定时器，低功耗休眠模式，高达25 mA的吸入/拉出电流，外部具有3个定时器模块，2个16位捕捉器/16位比较器/10位PWM模块，10位多通道A/D转换器，通用同共模电感器步异步接收/发送器等功能模块。

　　自动阳光1的控制方式主要有微处理器控制、PLC控制、DSP控制与模拟电路控制4种形式，根据以上原理，本文选择性价比较高的EM78247单片机为控制核心，系统实现的具体原理框图如图2所示。

　　整个控制器主要由控制单元与驱动执行机构两部分组成。控制单元由角度计算及反馈控制、启动信号产生、电机驱动信号产生、保护信号处理与人机通讯5个部分组成。系统功能说明如下：单片机循环检测光伏阵列的位置，并将其与计算出的此时本地太阳的高度角与方位角进行比较来确定光伏阵列是否跟踪上太阳的位置，如果没有启动信号满足启动条件，单片机就发出指令驱动电机转动;保护信号是保证系统在外界以及其他非人为因素情况下所执行的一种操作指令，以确保系统不受损坏，从而提高了整个系统的可靠性。驱动执行单元主要功能是用来实现电机驱动与旋转，并通过机械传动机构带动光伏电池阵列转动。 1

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